适用于新教材2024版高考物理一轮总复习第12章交变电流传感器第1讲交变电流的产生及其描述课件

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一、正弦式交变电流的产生和变化规律1.产生如图所示,在匀强磁场里,线圈绕　垂直磁场　方向的轴匀速转动时,可产生正弦式交变电流,简称正弦式电流。 2.中性面及其特点(1)定义:与磁场方向　垂直　的平面。 (2)特点①线圈位于中性面时,穿过线圈的磁通量　最大　,磁通量的变化率为　零　,感应电动势为　零　。 ②线圈转动一周,　2　次经过中性面,线圈每经过中性面一次,电流的方向就改变一次。 
3.图像用以描述交变电流随时间变化的规律,如果线圈从中性面位置开始计时,其图像为　正弦　曲线,如图所示。 
Em仅由N、B、S、ω四个量决定,与轴的具体位置和线圈的形状都无关4.变化规律(线圈在中性面位置开始计时)(1)电动势e随时间变化的规律:e=　EmsinΩt　。 (2)电压u随时间变化的规律:u=　UmsinΩt　。 (3)电流i随时间变化的规律:i=　ImsinΩt　。 其中ω是线圈转动的　角速度　,Em=　NBSω　。易错辨析·判一判(1)交变电流的主要特征是电流的方向随时间周期性变化。(　√　)(2)大小变化而方向不变的电流也叫交变电流。(　×　)(3)线圈经过中性面时产生的感应电动势最大。(　×　)(4)在一个周期内,正弦式交变电流的方向改变两次。(　√　) 
3.交变电流的“四值”
易错辨析·判一判(5)最大值和有效值之间的 倍关系只适用于正弦式交变电流。(　√　)(6)交流电压表及交流电流表的读数均为峰值。(　×　)
1.变化规律(线圈从中性面位置开始计时)
2.两个特殊位置及其特点
对点演练1.(2022北京丰台模拟)交流发电机的示意图如图所示,当线圈ABCD绕垂直于磁场方向的转轴OO'匀速转动时,电路中产生的最大电流为Im,已知线圈转动的周期为T,下列说法正确的是(　　)A.图示位置穿过线圈的磁通量最大,磁通量的变化率最大B.图示位置电流最大
2.(交变电流的产生)(2022广东梅州模拟)一台旋转电枢式交流发电机的原理图如图所示,设线圈的角速度为ω,感应电动势和感应电流的最大值分别为Em和Im,由图可以判断下列说法正确的是(　　)A.电流计的左端为正极B.交变电流的方向在图乙的位置要改变一次C.如果从图甲开始计时,线圈产生的感应电动势表示为e=EmsinΩtD.如果从图乙开始计时,线圈产生的感应电流表示为i=ImsinΩt
解析 交流发电机产生的是交变电流,电流计的左右端没有正负极之分,A错误;根据交变电流产生的原理,线圈每经过一次中性面,电流方向改变一次,线圈在图甲、丙中均处于中性面,电流方向都要改变一次,B错误;如果从图甲开始计时,线圈在图甲中处于中性面,线圈产生的感应电动势表示为e=EmsinΩt,C正确;如果从图乙开始计时,线圈在图乙中垂直于中性面,线圈产生的感应电流表示为i=ImcsΩt,D错误。
典例1.如图甲所示电路,已知电阻R1=R2=R,和R1并联的D是理想二极管(正向电阻可视为零,反向电阻为无穷大),在A、B之间加一个如图乙所示的交变电压(电压为正值时,UAB>0)。由此可知(　　)A.在A、B之间所加的交变电压的周期为2 s
思维点拨 由图像可得交变电流的周期、电压最大值,依据u=UmsinΩt可得交变电压的瞬时值表达式。根据电流的热效应,注意二极管的单向导电性使得半个周期内R1被短路,另半个周期内R1与R2串联,从而可求解有效值。答案 D
对点演练3.(2022北京西城二模)如图为交流发电机的示意图,矩形线圈ABCD在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴OO'逆时针匀速转动,发电机的电动势随时间的变化规律为e=20sin 100πt V。下列说法正确的是(　　)A.此交变电流的频率为100 HzB.此发电机电动势的有效值为20 VC.当线圈平面转到图示位置时产生的电流方向为ABCDAD.当线圈平面转到图示位置时磁通量的变化率最大答案 D
示位置时产生的电流方向为ADCBA,选项C错误;当线圈平面转到题图所示位置时磁通量为零,但是磁通量的变化率最大,选项D正确。
4.(多选)(2022陕西咸阳二模)如图所示,发电机内部线圈处于磁铁和圆柱形铁芯之间的径向磁场中,磁铁的N、S极间的过渡区域宽度很小,可忽略不计。线圈的匝数为N、面积为S,总电阻为r,线圈所在位置的磁感应强度大小为B。当线圈以角速度ω匀速转动时,额定电压为U、电阻为R的小灯泡在电路中恰能正常发光,则(　　)A.发电机输出的电流为矩形波交变电流
D.转动过程中,穿过线圈的磁通量始终为零答案 ACD
解析 线圈在磁场中做切割磁感线的运动,线圈切割磁感线的有效速度大小和磁感应强度大小不变,故产生的感应电动势大小不变,方向做周期性变化,故发电机输出的电流为矩形波交变电流,A正确;线圈以角速度ω匀速转动时,根据法拉第电磁感应定律知,感应电动势的大小为NBSω,所以发电机产生的感应电动势的有效值为NBSω,根据闭合电路欧姆定律知,电源电动
线圈所在平面与磁场方向始终平行,所以穿过线圈的磁通量始终为零,D正确。
交变电流的瞬时值、峰值、有效值和平均值的比较
思维点拨 (1)根据“当R=10Ω时电压表示数是10 V”计算电阻R消耗的功率;根据闭合电路欧姆定律计算交流电源的电动势的有效值,然后计算最大值;由图乙得出角速度。(2)当R=r时可变电阻消耗的功率最大。答案 AD
对点演练5.如图所示,N=50匝的矩形线圈abcd,ab边长l1=20 cm,ad边长l2=25 cm,放在磁感应强度B=0.4 T的匀强磁场中,外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO'轴以n=3 000 r/min的转速匀速转动,线圈电阻r=1Ω,外电路电阻R=9Ω,t=0时,线圈平面与磁感线平行,ab边正转出纸外、cd边转入纸里。(1)写出t=0时感应电流的方向;(2)写出线圈感应电动势的瞬时值表达式;(3)线圈转一圈外力做功多大?答案 (1)方向为adcba(2)e=314cs 100πt(V)(3)98.6 J
解析 (1)线圈感应电流的方向为adcba。(2)n=3 000 r/min=50 r/s所以线圈的角速度ω=2πn=100π rad/s图示位置的感应电动势最大其大小为Em=NBSω=NBl1l2ω代入数据得Em=314 V电动势的瞬时值表达式e=EmcsΩt=314cs 100πt(V)。
6.(多选)如图所示,边长为L的正方形单匝线圈abcd,其电阻为r,外电路的电阻为R,ab的中点和cd的中点所在直线O'O恰好位于匀强磁场的边界线上,磁场的磁感应强度为B。若线圈从图示位置开始以角速度ω绕轴O'O匀速转动,则以下判断正确的是(　　)A.图示位置线圈中的感应电动势最大,为Em=BL2ω